CN106105014A - 发电机组的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于发电机组(1)的控制及调节系统，其包括机械地耦接到驱动发动机(2)的交流发电机(3)，所述交流发电机包括由壳体(5)承载的端子箱(4)，在端子箱中具有连接到交流发电机的线圈的电连接。该系统(8)包括发电机组的控制器部分和确保交流发电机的输出电压调节的调节器部分，电压调节器部分位于端子箱的外部并与发电机组的控制器部分(10)联结。
Description
本发明涉及一种用于发电机组的控制及调节系统，以及配备有该控制及调节系统的发电机组。
发电机组由驱动发动机和交流发电机的组合构成。为了提供标称电压和标称频率，交流发电机配备有电压调节器，其主要功能在于将交流发电机的输出电压保持在给定的定值。
电压调节器可以以一个或多个电路板的形式实现，电路板位于交流发电机的端子箱内并且其尺寸被调整成适合于该端子箱。
已知的发电机组还包括机组控制器，其作用是显示发电机组的全部热、电甚至机械参数，并且一方面确保该控制器在测量结果超出预设极限的情况下关闭，另一方面确保该控制器自动启动或在用户操作下启动。该控制器通常包括位于与电压调节器不同的位置处的控制箱或控制柜。
US 2010/0241283公开了一种用于发电机组的控制系统，其包括与交流发电机的电压调节器通信的发动机控制模块以确保对于机组电荷水平的控制。
US 2011/0089911描述了一种与发电机组中的交流发电机的电压调节器通信的控制器以及一种交流发电机的触发电路，该控制器旨在确保已失去其剩磁场的交流发电机的他激触发。发电机组通过数字控制系统(DCS)来控制。
US 6555929 B1公开了一种与交流发电机的电压调节器通信的发电机组控制器以及一种发动机控制器模块。机组的控制器计算交流发电机的工作参数并向电压调节器发送控制信号。
US 2004/007876 A1介绍了一种使得能够以可选的方式使用电网中的不同发电机组的解决方案。
US 5 390 068公开了一种发电机组的电压及速度控制系统。
另外，在大多数发电机组的控制器中，对于转速的测量或者通过称作MPU(Magnetic Pick Up)的磁性传感器来进行，或者通过交流发电机的电压来进行。该速度测量对于发电机组的保护需求而言十分关键。
本发明的目的在于进一步改进发电机组的控制及调节系统，以特别地便利交流发电机的整合、减小其体积、简化发电机组的制造以及提供管理发电机组的工作的新的可能性。
本发明目的在于满足这一需要，并且本发明通过一种发电机组的控制及调节系统来实现，该控制及调节系统包括机械地耦接到驱动发动机的交流发电机，交流发电机包括由壳体承载的端子箱，该端子箱中具有连接到交流发电机的线圈的电连接，该系统包括发电机组的控制器部分以及确保交流发电机的输出电压调节的调节器部分，电压调节器部分位于端子箱外部并与机组的控制器部分联结。
至于“联结”，应当理解的是电压调节器部分被固定到机组控制器部分，或者位于同一基座上，或者被容置在与控制器部分相同的罩中，该罩与容纳整个发电机组的箱不同。
由于本发明，可以减小交流发电机的端子箱的尺寸，其尺寸通常被调整为能够容置连接端子以及电压调节器。使电压调节器靠近控制器提供了减小端子箱尺寸的可能性，这降低了成本并缩小了交流发电机的体积，使其更容易地被整合到发电机组中。另外，控制器和调节器的物理靠近，例如在同一罩内，便利了布线以及在彼此之间交换数据的可能性，这为优化该解决方案的总成本以及提高可靠性和维护性提供了新的可能性。
根据本发明的系统能够确保通常存在于发电机组的电压调节器和控制器中的功能。这些功能还包括对交流发电机输出电压的调节、发电机组的电、热和/或机械参数的显示以及根据所读出的或计算出的参数而对机组的电、热和机械保护。
优选地，控制器部分和交流发电机调节器部分(也称作AVR)位于同一罩内，其可以被固定或者不被固定在交流发电机或者驱动发动机上，优选地固定在与交流发电机和发动机隔开的基座上。
机组的控制器部分以及电压调节器部分可以包括电路板，例如至少两个，甚至三个具有印刷电路的电路板。
优选地，机组的控制器部分和调节器部分包括至少一个电源电路板，一个通信电路板和一个控制电路板。
电源电路板可以包括对交流发电机的励磁电感供电的电源元件。控制电路板可以包括系统的全部或部分数字组件，特别是例如一个或多个微处理器或微控制器的计算核。电源电路板还可以包括数字组件，特别是专用于计算电源元件命令的数字组件。
诸如调节器部分这样的系统可以包括至少一个散热器，优选地包括两个散热器，以便冷却对交流发电机的励磁电感供电的电源元件。一个或多个散热器优选地被包括在罩中。
一个或多个散热器例如被固定在电源电路板上，在电源电路板和控制电路板是两个不同的电路板并且被包括在如上述的同一个罩内的情况下，其优选地被固定在电源电路板的、与控制电路板相对的那一面上。
罩可以包括盖在各个电路板以及一个或多个上述散热器上的盖。
盖可以在后部包括延伸部，该延伸部与一个或多个散热器的形状基本匹配，并且在上方和侧面同时具有使空气流通的通气孔。盖有利地通过模压热塑性材料而成。
盖可以被布置成通过卡扣机构被固定在罩的前部，其包括正面。
系统可以包括用户界面，其优选地直接连接到控制电路板。
用户界面可以包括用于显示发电机组的电、热和/或机械参数的、例如LED或LCD型的显示器。用户界面可以位于系统前表面上，例如上述罩的正面。用户界面可以包括一个或多个控制按钮。无数量限制的按钮使得能够访问不同的系统参数。
例如，用户界面可以被实现成一个或多个控制按钮使得能够访问调节器部分的参数选择菜单。
调节器部分的可访问参数优选地在以下参数中的部分或全部中选择：
-电压调节的稳定性，
-取决于发电机组的转动频率的电压升高斜率(U/f)，
-在50Hz、60Hz以及可能的低于500Hz的所有其他频率之中的工作频率选择，以及
-工作电压范围的选择，优选地直到30kV。
-激励电流或电压，
-负载瞬变期间的驱动发动机的辅助功能；调节器部分因此可以应用用于在负载冲击或卸载阶段辅助发动机的一个或多个算法。
优选地，调节器部分根据U/f法则来控制交流发电机的电压，使得特别地确保针对欠速下过热保护交流发电机，其中U是交流发电机的输出电压且f是其转动频率。界面可以配备有发光二极管，使得能够通知用户机组和/或电气设备的工作模式。
控制器部分以及调节器部分的一个或多个不同的电路板优选地通过配备有连接器的接合电路板而彼此相连，特别是PCI express或其他类型的串行本地总线。
该接合电路板允许控制器部分和调节器部分之间的信息交换。接合电路板可以不包括任何有源组件，其优选地由印刷电路和接合连接器构成。
在变型中，机组的控制器部分和调节器部分的一个或多个不同的电路板可以通过其他类型的有线或无线链路彼此相连，而无需具有附加的电路板。
接合电路板可以垂直于其他电路板而定向，并且其连接器可以与这些电路板的印刷电路的导线接合。
电路板中的至少一个还可以包括特别是USB和/或CAN总线类型的外围设备连接器，和/或专用于测量发电机组和/或电网的电、热和/或机械参数的连接器，特别是例如电压和电流的电参数。
优选地，同一物理输入端，也称为端口，可以接收串行总线，优选地为CAN(根据ISO11898标准的控制器局域网)总线，或者MPU传感器信号。CAN总线可以根据例如j1939协议传输信息，使得能够提供例如与以下有关的信息：发动机冷却液温度、油压、燃料料位、启动电池的电压等。MPU传感器是位于固定在发动机轴上的齿轮附近的磁传感器，其对每个齿的通过做出回应，以传送代表轴的转速的可变频率信号。调节器部分还从同一端口接收信号，其中该信号或者是CAN的信号或者是MPU的信号，并且通过软件途径将其解码以提取有用信息。
对于CAN和MPU使用同一物理输入端这一事实在通过减少连接而达到紧凑性的方面获得优势。另外，这通过允许对于CAN机组和其他MPU机组使用相同的系统而实现了发电机组制造方面的更大灵活性，简单地改变软件即可。
机组的控制器部分可以确保启动以及停止功能，特别是预热、通过启动器驱动、在停止前通风、停止，以及例如在冷却液温度过高的情况下对机组的保护功能。
此外，如果发电机组配备有电池，则系统优选地确保监视用于对发电机组的电池充电的辅助交流发电机这一功能，以使得能够检测该交流发电机的故障。
电路板和连接器优选地以紧凑的方式布置，以便减小体积。优选地，除了接合电路板之外的全部电路板都被布置成一个在另一个之上。
例如，通信电路板位于电源电路板和控制电路板之间。这可以使得由电源电路板承载的一个或多个电源元件更加远离由控制电路板承载的数字组件，并且还便利控制电路板的冷却以及减少暴露于强电流磁场。
系统可以包括至少一个由控制器部分和调节器部分共享的电路板。例如，通信电路板和/或控制电路板可以是在两个部分之间共享的。
“由控制器部分和调节器部分共享的电路板”是指同时包括用于实现控制器的一般功能的组件以及用于实现调节器的一般功能的组件的电路板。
由机组的控制器部分和调节器部分共享的一个或多个电路板可以位于专属于控制器部分或者调节器部分的电路板之间。这可以允许导电线的路径最小化并且便利获得紧凑的结构。
优选地，外围设备连接器和/或专用于发电机组和/或电网的电、热和/或机械参数的测量的连接器位于一个或多个共享电路板上，特别是位于同一个共享电路板上，例如必要情况下的通信电路板。
在控制器部分和调节器部分之间的信息交换还可以允许通过计算有效功率来实施发动机辅助策略，以便限制在负载瞬变期间交流发电机的电压骤降或电压过高。
当热力发动机已经速度骤降并且其速度下降至低于某一值时可以应用发动机辅助。
从应用负载和/或交流发电机输出端的电功率变化时起，可以应用发动机辅助。
通过观察电功率来检测负载变化，使得能够预测发动机的速度骤降，并且因此测量结果可以被应用以有效地限制该骤降。
本发明的目的还在于一种配备有根据本发明的控制及调节系统的发电机组。机组的功率优选地大于或等于5kW。
参考附图，通过阅读以下对本发明的非限制性实施方式的详细描述，将更好地理解本发明，其中：
-图1示意性地示出了根据本发明的发电机组的示例；
-图2示出了用户界面的示例；
-图3示出了根据本发明的系统构架的示例；
-图4是根据本发明的系统的分解图；
-图5和图6分别示出了从不同视角观察的印刷电路板组的透视图。
图1中示出的发电机组1包括耦接到交流发电机3的热力发动机2。该交流发电机具有壳体5，壳体5配备有端子箱4，端子箱4包括连接到励磁和主电感线圈的连接端子。
根据本发明的发电机组1连接到控制及调节系统8，该系统包括彼此联结的电压调节器部分和机组控制器部分，优选地，如图4所示，这两个部分包括在同一个罩10中。
罩10位于与端子箱4不同的位置，并且可以被固定在远离交流发电机3及发动机2的框架上。
图3示出了系统8的构架的示例。
系统8包括机组控制器部分81以及电压调节器部分82。
系统8例如经由控制器部分81由外部电源供电，例如8-35V的直流电。
机组控制器部分81优选地具有微控制器38，该微控制器38包括计算核，计算核构成系统的主要数字部分。可以在必要情况下向其添加其他微控制器。
微控制器38的模拟输入40和数字输入7使得能够激活确保启动、停止、启动继电器和/或告警的数字命令34，或者使得能够直接操纵发电机组1的构件，例如启动器、预热系统等的数字命令34。
模拟输入40可以支持具有例如从0到10V的电压的电源，例如从4到20mA的电流的电源，可以允许电位计连接，并且可以接收位于机组1不同点处的传感器的直接信息，例如油压传感器，冷却液温度传感器，转速传感器。
系统8包括用户界面27，如图2所示，用户界面27包括显示器11，LED 30以及系统8的控制按钮29。
LED 30使得能够直接读取系统8、发电机组1以及在机组与外部电网之间的连接的工作状态。
在示出的示例中，系统8包括USB外围设备连接器9和CAN外围设备连接器6。可以在不脱离本发明范围的情况下使用其他类型的外围设备连接器。
连接器9和6使得能够一方面例如经由计算机接收用户的控制指令，另一方面将工作参数传输到外部构件，和/或对解决方案的通常称作固件的内部软件进行更新。
在示出的示例中，系统8还包括例如JTAG型的连接器12以便利调试，但是所有其他实现该功能的装置都落在本发明的范围内。
调节器部分82包括电源元件31、包括电路的计算核32以及可能的一个或多个分别确保测量、调节和/或保护的特定功能的微处理器，所述电路用于生成对于电源元件31的模拟或数字控制信号39以确保对交流发电机5的电压的正确调节。
电源元件31例如包括二极管整流器和用于通过连接23对交流发电机5的励磁电感供电的斩波器。连接23传送直流输出电流，优选地在正常工作下达到6A并且在几秒内达到15A，例如10s。
调节器部分82是可以由控制器部分通过在两个部分的计算核之间所交换的数字信号26而全部或部分地可控的。在必要情况下在电路板的印刷电路上所输送的这些信号26使得能够在两个部分81和82之间交换信息而无需笨重的连接。
调节器部分82包括用于与交流发电机和电网进行信息交换的连接器，例如分别用于测量交流发电机的输出电流35和输出电压36以及用于测量电网电压37的连接器。
控制器部分81可以在必要情况下确保对于交流发电机的输出电流35和输出电压36以及电网电压37的测量。
在变型中，两个部分可以共享一个计算核。在此情况下，可以同时根据来自交流发电机、电网和模拟输入40及数字输入7的信号35、36和37而将命令从计算核直接发送到电源元件。
优选地，调节器部分82与不同的激励系统33兼容，例如SHUNT、AREP和PMG，其对应于提取分别来自交流发电机的输出电压、交流发电机的辅助线圈的能量，以及永磁体发电机。可以通过这些激励系统33中的至少一个来对调节器部分82供电。
电网和/或交流发电机的电压是例如三相的并且在90至530VAC(交流伏特)之间，以及通过电流变换器来测量交流发电机的输出电流，该输出电流在1至5AAC(交流安培)之间。
调节器部分优选地应用用于在负载冲击或卸载阶段中辅助发动机的一个或多个算法。
优选地，调节器部分根据U/f法则来控制交流发电机的电压，使得特别地确保针对欠速下过热保护交流发电机，其中U是交流发电机的输出电压且f是其转动频率。
例如，如果速度是1000转/分且电压定值保持在400V，则激励电流相对于其标称值变得非常大。同样由于这一低转速，交流发电机的冷却变得更少。根据U/f法则来控制交流发电机的电压使得能够减小电压定值，因此减小激励电流，故而减小要耗散的热能。因此避免了与激励电流有关的过热。
系统8还可以包括用于例如连接驱动发动机的控制器的连接器。
如图4至图6所示，调节器部分82和控制器部分81可以利用印刷电路板16、17、18以及接合电路板19来实现。
电路板16至19包括在罩10中，罩10包括前部21和后盖22，后盖22可以例如借助于挂钩26通过卡扣机构而固定在前部21上。
盖22具有向后的延伸部24，其盖在电源元件的冷却散热器23上，电源元件由电路板16的、与控制电路板18相对的那一面25承载。
散热器23可以在该面25上完全覆盖电源元件。
延伸部24是钻孔的，其在上方和侧面都具有用于空气流通的通气孔28。
在相关示例中，以及如图4中具体显示的那样，三个电路板16、17、18彼此平行地布置并通过配备有连接器20的接合电路板19而彼此相连。接合电路板19可以仅分配允许在电路板16、17、18之间进行信息交换的弱信号以及系统8的内部供电。
调节器部分82的电路板16位于后盖22的一侧，并且控制器部分81位于前部21的一侧。前部21包括用户界面27。
属于电压调节器部分82的电源电路板16包括电源部分和一个或可能更多个连接器15，该连接器专用于对激励系统SHUNT和/或AREP和/或PMG供电以及对励磁电感供电。
位于电源电路板16和控制电路板18之间的通信电路板17由控制器部分81和调节器部分82共享，并且容置专用于系统的参数选择的USB端口9、CAN总线6和专用于测量交流发电机和电网的电压和交流发电机电流的连接器13。
在变型中，专用于测量电压及电流的连接器15可以全部或部分地位于电源电路板16和/或控制电路板18上。
通信电路板17还包括逻辑输出端和弱信号模拟输入端。这些信号例如允许监视机组的某些参数，例如燃料的料位和冷却液的温度。
同样在两个部分81和82之间共享的控制电路板18被指派给通过来自用户界面27的按钮29所实现的全部命令并且被指派给显示器11和在必要情况下的告警器，例如蜂鸣器。
这三个电路板16、17、18的连接是利用配备有PCI express连接器20的接合电路板19、经由印刷电路的导线14来实现的。这一接合电路板19与叠放的三个电路板16、17、18以及PCI express连接器20相垂直地定向。
优选地，对应于CAN(根据ISO 11898标准的控制器局域网)总线6的物理输入端还可以接收MPU传感器的信号。因此，用户可以无差别地将两种类型的信号连接到CAN总线上。选择是在产品配置软件中做出的。
调节器部分因此从同一端口接收CAN信号或MPU信号，并且通过软件途径将其解码以提取有用信息。
机组的控制器部分还优选地确保机组的启动和停止功能。
优选地，如果发电机组配备有电池，则系统还确保监视用于对发电机组的电池充电的辅助交流发电机这一功能，以使得能够检测该交流发电机的故障。
使用更多或更少的电路板的任何其他实现都落在本发明的范围内。
例如，可以取消通信电路板17。在此情况下，由这一电路板承载的连接器6、9、13例如分布在电源电路板16和控制电路板17上。
另外，上述功能在各个电路板之间的任何其他分布都落在本发明的范围内。
Claims (19)
1.一种用于发电机组(1)的控制及调节系统(8)，其包括机械地耦接到驱动发动机(2)的交流发电机(3)，所述交流发电机包括由壳体(5)承载的端子箱(4)，在所述端子箱(4)中具有连接到所述交流发电机的线圈的电连接，所述系统(8)包括所述发电机组(1)的控制器部分(81)和确保所述交流发电机(3)的输出电压调节的调节器部分(82)，所述电压调节器部分(82)位于所述端子箱(4)的外部并与所述发电机组的所述控制器部分(81)相联结，所述控制器部分(81)和所述调节器部分(82)位于同一个罩(10)中。
2.根据前述任一项权利要求所述的系统，其包括用于接收串行总线的同一个物理输入端(6)，优选地是CAN总线，或者MPU传感器信号。
3.根据前述权利要求之一所述的系统，其确保监视用于对所述发电机组的电池充电的辅助交流发电机这一功能，以使得能够检测所述交流发电机的故障。
4.根据前述任一项权利要求所述的系统，所述发电机组的控制器部分确保所述发电机组的启动和停止功能。
5.根据前述任一项权利要求所述的系统，所述调节器部分应用用于在负载瞬变阶段辅助发动机的一个或多个算法。
6.根据前述任一项权利要求所述的系统，所述调节器部分根据U/f法则来控制所述交流发电机的电压，特别是使得确保针对欠速时的过热保护所述交流发电机，其中，U是所述交流发电机的输出电压且f是其转动频率。
7.根据前述任一项权利要求所述的系统，所述调节器部分(82)包括用于冷却对所述交流发电机(3)的励磁电感供电的电源元件的至少一个散热器(23)，一个或多个所述散热器优选地被包括在所述罩(10)中。
8.根据前述任一项权利要求所述的系统，其包括用户界面(27)，所述用户界面优选地位于所述罩(10)的正面。
9.根据前一权利要求所述的系统，所述用户界面(27)包括用于显示所述发电机组(1)的电参数、热参数和/或机械参数的显示器(11)以及一个或多个控制按钮(29)。
10.根据前一权利要求所述的系统，所述用户界面(27)被实现成使得所述一个或多个控制按钮(29)允许访问所述调节器部分(82)的参数选择菜单。
11.根据前一权利要求所述的系统，所述调节器部分(82)的可访问参数是从以下参数中的部分或全部之中选择的：
-电压调节的稳定性，
-取决于所述发电机组的转动频率的电压升高的斜率(U/f)，
-在50Hz、60Hz以及可能的小于或等于500Hz的任何其他频率之中的工作频率的选择，
-工作电压范围的选择，优选地直到30kV，
-激励电流或激励电压，
-在负荷瞬变期间的辅助驱动发动机的功能。
12.根据前述任一项权利要求所述的系统，所述发电机组的控制器部分(81)和所述调节器部分(82)包括电路板(16、17、18)，优选地包括至少一个电源电路板(16)、一个通信电路板(17)、一个控制电路板(18)。
13.根据权利要求12所述的系统，所述发电机组的控制器部分(81)和所述调节器部分(82)的一个或多个不同的电路板(16、17、18)通过配备有特别是PCI express型的连接器(20)的接合电路板(19)而彼此相连。
14.根据权利要求13所述的系统，所述接合电路板(19)与其他电路板(16、17、18)相垂直地定向，其连接器(20)优选地与所述电路板(16、17、18)的印刷电路的导线(14)接合。
15.根据权利要求12至14之一所述的系统，所述电路板中的至少一个(17)包括USB型外围设备连接器(9)和/或CAN总线型外围设备连接器(6)，和/或专用于测量所述发电机组和/或电网的电参数、热参数和/或机械参数的连接器(15)。
16.根据权利要求12所述的系统，所述通信电路板(17)位于所述电源电路板(16)和所述控制电路板(18)之间。
17.根据权利要求12至15中的任意一项所述的系统，其包括由所述控制器部分(81)和所述调节器部分(82)共享的至少一个电路板(17、18)。
18.根据权利要求15和16所述的系统，所述外围设备连接器(6、9)和/或专用于测量所述发电机组(1)和/或电网的电参数、热参数和/或机械参数的连接器(15)位于被共享的所述一个或多个电路板(17)上。
19.一种配备有根据前述任一项权利要求所述的控制及调节系统的发电机组，所述发电机组的功率优选地大于或等于5kW。
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